浙江大学周竑钊课题组Trends Biotech：VECTOR方法促动脉组织双尺度创新突破 | Cell Press对话科学家

原创 Cell Press CellPress细胞科学 2025年01月15日 09:04

生命科学

Life science

1月7日，浙江大学杨华勇院士团队周竑钊课题组与西湖大学的合作者共同在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology发表了题为“Programmable embedded bioprinting for one-step manufacturing of arterial models with customized contractile and metabolic functions”的研究论文。该研究提出了基于体素的悬浮生物打印方法（VECTOR），通过精准控制细胞排列和群体行为，实现双尺度仿生复制，为功能性动脉组织模型开发提供新思路。通过优化打印工艺参数与轨迹设计，成功构建具有高收缩性能的三维冠状动脉样结构和仿生多层动脉模型。这些模型在生理和药理功能上表现出高度相似性，为动脉疾病研究和个性化治疗带来新可能。

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研究亮点：

1. 创新方法重现动脉多尺度排列特征

血管平滑肌细胞（VSMCs）的三维环向排列和高细胞定向率对血管收缩功能至关重要。本研究提出的VECTOR方法（Voxel-based Embedded Construction for Tailored Orientational Replication），以高分辨率微丝诱导所载细胞定向，悬浮全向打印实现微丝三维排布，成功实现了动脉宏观结构和细胞尺度定向特征的体外复现。

2. 量化细胞功能的新指标：体素矢量幅值（VVM）

针对挤出式打印方法，提出了一个全新指标“体素矢量幅值”（VVM）描述细胞定向状态，用于表征打印结构中的细胞合力，该指标直接关联于组织的收缩功能。转录组学分析显示，高VVM结构中的VSMCs能够转换为收缩型表型，从而增强功能表现。

3. 双尺度排列结构提升功能性能

双尺度细胞排列（宏观与细胞层面）显著提升了构建模型的收缩性与代谢功能。基于VECTOR方法的全方向生物打印技术还成功制造了具有内膜、中膜和外膜的三层仿生动脉模型，促进了生物模拟细胞间的相互作用和药物响应，展现了构建复杂体外模型的潜力。

研究简介：

动脉组织的收缩功能对于维持血液动力学、血压等生理特征至关重要，其收缩功能依赖于血管平滑肌细胞的精确排列和三维环向排布。然而，现有生物打印技术在同时控制细胞排列和构建复杂三维结构方面存在明显局限，难以满足功能化体外模型的需求。本研究提出了一种全新的方法，即基于体素的悬浮生物打印方法（Voxel-based Embedded Construction for Tailored Orientational Replication，VECTOR），通过对打印细丝中细胞排列和群体行为的精准控制，实现了双尺度仿生复制，为功能性动脉组织模型的开发提供了新思路。

VECTOR方法的核心理念在于“体素矢量”的引入。体素矢量的方向反映了细胞排列的主方向，即细胞群体行使功能的方向，而体素矢量幅值（Voxel Vector Magnitude, VVM）则量化了该方向上细胞产生的合力，直接关联于细胞群体的收缩性能。通过优化打印工艺参数与轨迹设计，我们成功实现了高体素矢量幅值（VVM）的打印结构，RNA测序分析表明，VSMCs在高VVM结构中转变为以收缩为主的表型，蛋白和代谢分析显示血管平滑肌细胞（VSMCs）的代谢与收缩功能受到的显著提升，进一步验证了VECTOR方法在功能性组织工程模型构建中的有效性。

在技术实现方面，我们通过优化生物3D打印轨迹和材料力学特性，设计出具有全方向细胞排列的打印路径，构建了三维冠状动脉样结构。这些结构不仅展现出良好的细胞定向效果，还能够在分支管腔等复杂区域中维持打印精度和三维环向特征。通过对这些三维结构的进一步研究，我们发现双尺度仿生结构（即宏观排列与细胞微观对齐）在增强模型功能方面具有显著作用，包括提升其收缩能力、代谢活性以及对药物刺激的响应能力。

此外，本研究还通过VECTOR方法构建了仿生多层动脉模型，包括具有内膜、中膜和外膜的三层结构。实验结果表明，这种多层结构能够有效模拟天然动脉的层间细胞相互作用，在生理和药理功能上表现出高度相似性。这些模型能够精确响应药物刺激，模拟动脉病变环境，成为替代动物实验的潜力工具。

本研究突破了传统生物打印技术的局限，强调了双尺度仿生在功能性组织构建中的关键作用。VECTOR方法不仅为动脉相关疾病研究提供了创新工具，还在更广泛的组织工程应用中展现了巨大潜力。通过对细胞排列和组织结构的多层次控制，我们为开发更复杂的生物功能组织模型奠定了基础，为精准医学与个性化治疗带来了新的可能性。

图1 基于体素的悬浮生物打印方法（Voxel-based Embedded Construction for Tailored Orientational Replication, VECTOR）构建动脉模型的示意图。(A) 天然收缩组织的示意图。(B) 骨骼肌的解剖结构及功能分析。(C) 基于对组织功能的理解，提出与功能相关的体素矢量，包含方向和幅值，用于描述天然组织中细胞的排列及其产生的合力。(D) VECTOR方法的示意图（比例尺：500 μm）。

图2 高体素矢量幅值积分（VVMI）和低VVMI打印细丝中细胞的转录组分析。(A) 对比组的示意图（比例尺：500 μm）。(B) 高VVMI和低VVMI打印细丝中细胞转录图谱的火山图。(C) KEGG富集分析结果。(D) 以弦图形式展示显著通路中的核心基因。(E) 与细胞行为相关的关键基因表达情况。L: 低VVMI, H: 高VVMI (n = 3)。(F) 高VVMI和低VVMI打印细丝中血管平滑肌细胞（VSMCs）长度的测量结果（n = 180，比例尺：100 μm）。(G) GO富集分析结果。

▲三层动脉生理模型构建。(A) 动脉模型构建及处理的时间轴。(B) 管腔截面视图，显示覆盖腔面的内皮层。(C) 三层动脉模型的横截面视图。(D) 免疫荧光染色显示构建的动脉模型中CD31和α-SMA的表达情况。(E) 三层动脉模型的H&E染色，黑色箭头表示细胞排列方向。(F) 三层动脉模型的EVG染色，黄色三角形标示分泌弹性纤维的细胞。(G) 不同层结构动脉模型的示意图。(H) 单层和三层动脉模型中CD31和NO分泌的比较。(I) 关于CD31和NO表达的图像平均荧光强度（MFI）定量分析（n = 5）。(J) NO分泌量的测量结果（n = 5）。(K) 双层和三层动脉模型中α-SMA、Myh11和Col1分泌的比较。(L) 关于α-SMA、Myh11和Col1表达的图像平均荧光强度（MFI）定量分析（n = 5）。(M) 双层和三层动脉模型在苯肾上腺素（PE）和乙酰胆碱（ACh）处理下的直径变化（n = 3）。(N) 沿环向和轴向轨迹打印三层动脉模型的示意图。(O) 沿不同打印轨迹构建的三层动脉模型在PE和ACh处理下的直径变化（n = 3）。比例尺：200 μm。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请周竑钊研究员进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

周竑钊研究员：

我们的研究提出了一种全新的可编程嵌入式生物打印方法（VECTOR），能够实现具有定向特征的活性组织的一步式制造。首次在宏观结构和细胞排列层面实现了双尺度仿生复现，这一突破性方法克服了现有生物打印技术在细胞定向和三维结构控制方面的限制。通过构建高收缩性和代谢功能的复杂动脉模型，我们为血管相关疾病研究和药物开发提供了一个高度生理相关的体外平台。这项技术的创新性为动脉组织工程开辟了新路径，同时也展现了未来在精准医学与组织工程领域的巨大潜力。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

周竑钊研究员：

我们面临的主要挑战是如何在三维复杂结构成形过程中精确控制细胞排列，同时兼顾打印精度和细胞活性。为此，我们创新性地引入了“体素矢量”概念，并通过优化打印轨迹设计，最终实现了打印过程的精准调控。此外，通过多学科合作，我们结合了生物材料科学、生物力学与转录组学分析，系统验证了模型的功能表现。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

周竑钊研究员：

我们计划专注于长期培养血管模型，优化其功能性和稳定性，构建个性化病例模型。通过模拟真实病理条件，如高血压和动脉粥样硬化等疾病，希望通过与临床和药企的合作，将这一技术平台用于高效的药物筛选和精准医疗研究。

CellPress：

最后，请您与我们分享一下选择Trends in Biotechnology发表这个工作的原因。

周竑钊研究员：

Trends in Biotechnology是Cell Press细胞出版社旗下生物技术领域的专属期刊，聚焦创新技术的跨学科研究。本研究结合了生物打印、细胞工程与多尺度仿生等多领域创新，我们希望通过这一平台展示成果，进一步推动功能性组织工程模型的开发与应用。我们之前多次投稿CellPress旗下期刊，稿件处理和流转速度很快，令人印象深刻。Trends in Biotechnology主编Pavlovich博士在本次评审过程中提供了专业细致的编辑建议，很大程度改善了我们研究内容的展现形式。

论文作者介绍

李琦

讲师

李琦，博士，2023年毕业于浙江大学，现任杭州师范大学讲师，主要围绕悬浮生物三维打印成形工艺、功能化血管模型体外制造方法开展研究，主持国家自然科学基金青年项目、流体动力基础件与机电系统全国重点实验室开放基金等项目，在Trends in Biotechnology、ACS Applied Materials & Interfaces、International Journal of Bioprinting等期刊发表学术论文8篇，获日内瓦国际发明展金奖，授权美国、日本发明专利各一项，国家发明专利4项。

沈璐琦

助理研究员

沈璐琦，博士，西湖大学助理研究员。主要利用多项前瞻性中国人群队列多组学生物大数据（肠道微生物组、代谢组、蛋白质组、基因组、转录组等）结合体外模型研究心脏代谢性疾病的发生发展及潜在的作用机制。先后在Nature Communications、Cell Reports、Trends in Biotechnology等期刊发表论文20余篇。

周竑钊

研究员

周竑钊，博士，浙江大学研究员。主要从事生物软材料增材制造技术研究，利用复杂机电系统创新设计与控制技术，对生物软材料复杂三维结构成型、多细胞多材料异质组织结构体外构建等问题进行系列研究创新。负责浙江省自然科学基金重大项目、国家自然科学基金等多项国家及省部级项目；先后于International Journal of Extreme Manufacturing、Trends in Biotechnology、Biofabrication等期刊发表论文20余篇。担任Journal of Bionic Engineering期刊青年编委，和Bio-Design and Manufacturing期刊学术编辑。